Впервые учёным удалось эффективно совместить химический электролиз с деятельностью бактерий. Система производит спирт и другие вещества буквально «из воздуха»
Исследователи из Гарвардского университета создали бионическую систему, которая преобразует и сохраняет солнечную энергию в химическом виде, используя гибридный механизм из неорганических материалов и живых микроорганизмов. Такая схема помогает решить сразу две проблемы: 1) сохранение солнечной энергии, которая производится в избытке в светлое время суток и которой не хватает вечером; 2) устранение лишнего CO2 из атмосферы.
Новое изобретение превосходит по эффективности все существующие подобные разработки и даже превосходит фотосинтез в естественной природе. Научная статья опубликована 3 июня в журнале Science (doi:10.1126/science.aaf5039).
«Я думаю, это на самом деле довольно волнующее исследование, — прокомментировал работу коллег Йоханнес Лишнер (Johannes Lischner) из Имперского колледжа Лондона. — Преобразование солнечного света в химическое топливо с высокой эффективностью — что-то вроде чаши Святого Грааля для возобновляемой энергетики».
Бионическая система представляет собой банку с двумя электродами, водой и колонией бактерий Ralstonia eutropha. Электрический ток пропускается через электроды и разлагает молекулы воды, освобождая газообразный водород.
Полученный водород уже можно было бы использовать в качестве топлива, но учёные решили усложнить систему, чтобы сделать её более эффективной. На следующем этапе в дело вступают бактерии Ralstonia eutropha, которые питаются водородом и CO2 из атмосферы. Благодаря этим питательным веществам колония бактерий активно увеличивается в размерах. Среди продуктов жизнедеятельности микроорганизмов — различные полезные химикаты. Учёные экспериментировали с генетическими модификациями и вывели бактерий, производящих различные виды спирта (C3 и C4+C5 на диаграммах) и прекурсоры пластика (PHB на диаграммах).
Учёные уже десятилетиями пытаются выращивать бактерий на электродах, чтобы заставить их принять участие в химической цепочке реакций, но в этом процессе постоянно возникали разные проблемы, которые мешали создать по-настоящему эффективную систему.
Главные из этих проблем — выщелачивание тяжёлых металлов из электродов, а также появление кислорода в активной форме. Оба этих процесса угнетают жизнь счастливых, здоровых бактерий. Важным открытием химиков из Гарварда стало использование системы электролиза с катодом и анодом на основе кобальта. По существу, катод и анод производят синергетический эффект, представляя собой самозаживляющуюся систему. Если один деградирует, второй снабжает его веществами, и наоборот.
По мнению независимых специалистов, которые не имеют отношения к данному исследованию, научная работа действительно революционная. Впервые в истории учёным удалось совместить химический электролиз с деятельностью бактерий с высоким КПД преобразования и сохранения энергии. Работы в этом направлении шли с 1960-х годов.
Авторы исследования сумели добиться эффективности восстановления CO2 около 50% с производством бактериальной биомассы и жидкого спирта. На 1 кВтч электричества расходуется 180 граммов CO2.
Если совместить эту систему с обычными фотоэлементами, то эффективность восстановления CO2 составит около 10% — это выше, чем в природном фотосинтезе!
Учёные предполагают, что их система эффективного электролиза с преобразованием энергии в жидкое топливо найдёт применение, в первую очередь, в развивающихся странах, где нет развитой электрической инфраструктуры, чтобы распределять и сохранять электричество, сгенерированное солнечными панелями в дневное время.
В будущем технология может найти очень широкое применение. Очень важно, что бактерии поддаются генной инженерии и подходят для производства не только спирта, но и других материалов. Всё это можно получать в неограниченном количестве буквально из воздуха и солнечного света, как сказал в научном подкасте Брендан Колон (Brendan Colon), один из авторов научной работы.
Система решает проблему с хранением сгенерированного электричества, но ещё и помогает извлечь какую-то пользу от излишнего CO2, который человечество выбрасывает в атмосферу, сжигая миллионы тонн углеводородов ежегодно.
Комментарии (39)
Zenitchik
07.06.2016 00:54+4Из статьи неясно, причём тут фотосинтез. Описанный процесс на фотосинтез вообще не похож.
А заголовок — жёлтый. Дезреспект.
TPertenava
07.06.2016 09:04+4На мой взгляд сравнение с фотосинтезом вполне корректное — в качестве конечного продукта синтезируется сложная органика, при этом затрачивается свет и углекислый газ.
А заголовок не очень, да.
whex
07.06.2016 09:23+1Результатом фотосинтеза (световая фаза) являются, в первую очередь, АТФ и НАДФ.
СО2 до глюкозы восстанавливается в темновой фазе, за счёт ранее синтезированных АТФ и НАДФ.
Единственное, что объединяет фотосинтез и процесс, описанный в статье — так это использование света, как источника энергии.Zenitchik
07.06.2016 15:35Я бы сказал грубее:
>СО2 до глюкозы восстанавливается
Отдельным процессом, которому фотосинтез поставляет только исходные вещества.
Подскажите, из чего Вы делаете вывод, Что описанный в статье процесс использует свет? Я что-то не нашёл указаний на это.whex
07.06.2016 19:15Вы правы, постоянное сравнение с фотосинтезом меня утвердило в такой мысли.
А насчёт восстановления углекислого газа до глюкозы — формально оно относится к фотосинтезу, его «темновой фазе». Но я совершенно согласен с тем, что это совершенно другая история, в которой используются АТФ и НАДФ, полученные в световой фазе.
soshnikov
07.06.2016 01:22Анатолий Ализар, я не понимаю значения графиков. Не могли бы вы дать понятную технарям расшифровку?
MoonGoose
07.06.2016 02:34+4Charge — пропущенный через раствор суммарный заряд, кулоны; эта (в процентах) — выход по току, OD 600 — оптическая плотность при длине волны около 600 нм (чем больше — тем больше биомассы в растворе) и соответствующее количеству биомассы содержание спирта в мг на л.
Wesha
07.06.2016 05:27> содержание спирта в мг на л.
У, ё — такими темпами тут, похоже, до водки как до Луны на автобусе…
Raegdan
07.06.2016 08:15Самогонный аппарат на солнечной энергии.
Wesha
07.06.2016 08:17На электрической:
> Бионическая система представляет собой банку с двумя электродами, водой и колонией бактерий Ralstonia eutropha. Электрический ток пропускается через электроды и разлагает молекулы воды, освобождая газообразный водород.
whex
07.06.2016 08:58Если совместить эту систему с обычными фотоэлементами...
То есть, сама по себе она не эффективнее фотосинтеза?
… то эффективность восстановления CO2 составит около 10% — это выше, чем в природном фотосинтезе!
Измерять эффективность фотосинтеза восстановлением СО2 — это как оценивать мощность ДВС по выхлопу СО.
DrSavinkov
07.06.2016 09:28Учитывая, что солнечные батареи никак не могут иметь кпд в 100+%, то сама по себе система эффективнее.
whex
07.06.2016 09:59Максимальное значение КПД фотосинтеза — 8%, у злаковых (процент энергии светового потока, пошедшего в набор биомассы)
Не знаю, каково КПД «обычногопорошкафотоэлемента» из статьи, и надеюсь, найдутся люди внесущие ясность в этот вопрос. Для полупроводниковых фотоэлементов нагуглилась цифра в ~16%. Тут КПД считается куда как привычнее.
Вас не смущает сравнение тёплого с мягким? Повторюсь, КПД фотосинтеза высчитывается по набору массы растения.Mad__Max
07.06.2016 18:35+1Где теплое с мягким. Тут они так же считали КПД как количество энергии пошедшего в набор биомассы в "реакторе". Получилось достичь уровня порядка 50%.
Но энергия для этого процесса нужна в виде электроэнергии, а не света как у фотосинтеза в природе. Поэтому к этому они добавили солнечный панели (современные серийные уже перешагнули КПД в 20%), которые сначала свет в электроэнергию преобразуют. Получили аналог природного фотосинтеза: свет+вода+углекислый газ = синтез органики
С суммарной эффективностью всей цепочки в районе 10% (10% энергии светового потока оказываются связаны в виде органических соединений). Что уже выше эффективности аналогичного природного процесса.whex
07.06.2016 19:10А разве 50% относилось не к эффективности восстановления СО2? Во всяком случае я понял это предложение именно так.
Mad__Max
07.06.2016 22:02+1Они там именно производство разных органических веществ считали на единицу потраченной электроэнергии, а уже из нее эффективность фиксации СО2.
Конкретно 50% (54% плюс-минус 4% если точнее) получили при полном учтете всей синтезируемой органики — производимых бактериями веществ (таких как спирты или полимеры) и прироста массы самих бактерий. Отдельно для веществ поменьше — для полимера 36%, изопропанола 31%, C4 + C5 спиртов — 16%.
Да еще хотя собственно физические солнечные батареи в качестве источника электроэнергии не использовались, но подачу энергии на электроды гоняли по суточным циклам аналогичным профилю выработки типичной солнечной электростанции.
2PAE
07.06.2016 09:49«Искусственная система превзошла натуральный лист по эффективности фотосинтеза»
Или же:
«Если совместить эту систему с обычными фотоэлементами, то эффективность восстановления CO2 составит около 10% — это выше, чем в природном фотосинтезе!»
Вы уже определитесь. «Или крест снимите, или трусы наденьте».
ilya42
07.06.2016 09:52«Совместить систему с обычными фотоэлементами», насколько я понял, значит «брать электричество не из розетки, а из фотоэлемента». КПД самого процесса (электричество+бактерии) около 50%. КПД хорошего современного фотоэлемента — около 20%. Перемножаем, получаем 10%. Всё правильно, вроде.
2PAE
07.06.2016 09:58+2Так они это УЖЕ сделали? Или рассчитали что так ДОЛЖНО быть?
Вот поэтому я считаю, что заголовок не совпадает с содержимым статьи.
bubuq
07.06.2016 12:17Да. Было полное ощущение, что задействованы некие фотосинтетические бактерии, которым подняли КПД за счёт хитрой инженерии. А так это хемосинтез на электролизном водороде, ток для получения которого можно было бы брать от фотоэлементов. Ну что за бред.
Mad__Max
07.06.2016 18:29+1Они сделали самую сложную часть — превращение электроэнергии постоянного тока низкого напряжения и углекислого газа в органические соединения с КПД в 50%.
Взять электричество для этого процесса не из розетки, а от солнечной панели с КПД в 20% (и получить итоговый КПД конвертации около 10%) — это давно освоенные этап в котором нет ничего интересного.
barsuksergey
07.06.2016 12:42-1Чилийцы и немцы нуждаются в этой технологии больше всех, исходя из последних новостей в сфере альтернативной энергетики. Будет куда деть электричество.
dzobnin
07.06.2016 14:46+1Ох уж эти сказки про «разработки для развивающихся стран». Если технология окажется бесполезна для западного мира, то на ее доработку и внедрение денег никто не даст.
Garbus
07.06.2016 22:46Не, пока не избавимся от привязки к сгораемому топливу, технология позволяющая «из ничего» делать органику с хорошим КПД в принципе не будет бесполезной.
Как раз можно в «развивающейся» стране поставить солнечную электростанцию и гнать синтезированный бензин в сторону «цивилизации». А местное население, будет за еду и воду, которой надо будет много, следить за чистотой зеркал коллекторов. Кстати, если еще и еду делать на той же основе, то вообще чудно.
AntonSor
Еще один способ получения спирта!
DrSavinkov
И пластиковой закуси.
007913
Скоро кашу пластиковую придумают и как людей в кактусы превращать :)
VerdOrr
Не уверен насчет кактусов, но в «растения»/«овощи» превращать давно научились (hint: «Карательная психиатрия»)
betrachtung
Помилуйте, батенька, это же негуманно, дорого и вообще прошлый век.
В наше время с этим прекрасно справляются средства массовой информации во главе с телевидением.
VerdOrr
И то верно — как-то упустил я из виду ментальные воздействия… Тогда изобретение сдвигается еще сильнее в глубь веков — религии